范文一：单相交流调压电路

目 录

一、前言

二、课程设计的名称

三、课程设计的目的

四、设计方案的论证设计结果分析

五、课程设计体会与总结

六、参考文献

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前言

电力电子线路的基本形式之一, 即交流—交流变换电路, 它是将一种形式的 交流电能变换成另一种形式交流电能电路。 在进行交流—交流变换时, 可以改变 交流电的电压、电流、频率或相位等。其中,只改变电压、电流而而不改变交流 频率的电路成为交流交流电力控制电路,包括交流调压电路,交流调功电路, 交 流电力电子开关等; 在改变电压电流的同时, 不需要该变其频率的交流—交流变 频电路成为交交变频电路, 即直接把一种频率的交流变频变换成另一种频率或可 变的交流。因此,也称为直接变频电路。另外,还有一种交直交变频电路。先将 交流整流成直流, 再将直流经无缘逆变电路变换成频率可变的交流电能, 这种带 有中间直流环节的变频电路也称为间接变频电路。

用晶闸管组成的交流电压控制电路, 可以方便的调节输出电压有效值。 可用 于电炉温控、灯光调节、 异步电动机的启动和调速等, 也可用作调节整流变压器 一次侧电压, 其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。 采用这种 方法,可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管,只需要二极管, 而且可控 级仅在一侧,从而简化结构, 降低成本。 交流调压器与常规的交流调压变压器相 比,它的体积和重量都要小得多。交流调压器的 输出仍是交流电压,它不是正 弦波,其谐波分量较大,功率因数也较低。

二、 课程设计名称:单相交流调压电路

在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制, 可以方便的调节输出电压的 有效值,这种电路称为交流调压电路 。

三、单相交流调压的目的

交流电力控制电路是指通过晶闸管等电力电子器件对输入输出之间的交流电能 进行变换与控制的电路形式,其常用的控制方式有四种:① 相位控制; ② 周期 控制;③ 通断控制;④ 斩波控制。 根据不同的控制方式可以将交流电力控制系 统分为以下几种基本类型。

⑴ 交流调压电路

⑶ 交流电力电子开关

⑷ 交流斩波调压电路

上述四种交流电力控制系统中, 交流调压电路应用最为广泛。 交流调压电路是采 用相位控制方式的交流电力控制电路, 通常是将两个晶闸管反并联后串联在每相

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交流电源与负载之间。在电源的每半个周期内触发一次晶闸管,使之导通。 与相 控整流电路一样, 通过控制晶闸管开通时所对应的相位, 可以方便的调节交流输 出电压的有效值,从而达到交流调压的目的。其晶闸管可以利用电源自然换相, 无需强迫关掉电路,并可实现电压的平滑调节, 系统响应速度较快, 但它也存在 深控时功率因数较低,易产生高次谐波等缺点。

单相交流调压电路是对单相交流电的电压进行调节的电路。交流调

压电路主要应用在电热控制、交流电动机速度控制、交流稳压器等场

合,主要有灯光调节(如调光台灯、舞台灯光控制等) ,温度调节(如工频加热、 感应加热、需控制的家用电器等) ,泵及风机等异步电动机的软起动,交流电机 的调压调速(如纺织、造纸、冶金等领域的调压调速) ,随电机负载大小自动调 压(对于起动机等有较长时间空载或轻载的负荷,自动调压可以节省电能) ,变 压器初级调压 (在高压小电流或低压大电流直流电源中, 如采用晶闸管相孔整流 电路,需要很多晶闸管串联或并联, 若采用交流调压电路在变压器初级调压。 其 电压电流值都比较合理, 在变压器次级只要用二极管整流即可, 从而达到减少体 积、减低成本的目的) 。

与自耦变压器调压方法相比,交流调压电路控制方便,调节速度快, 装置的重量 轻、体积小,有色金属消耗也少。

四、设计方案及论证

1.主电路的设计

电感性负载

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(a)电路图

(b )工作波形图(φα>工况 )

交流调压电路可以带电阻性负载,也可以带电感性负载,如

感应电动机或其它电阻电感混合负载等。由于感性负载本身滞后于电压一定角 度, 再加上相位控制产生的滞后, 使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况 更为复杂,其输出电压、电流波形与控制角 α、负载阻抗角 φ都有关系。其中负 载阻抗角 ) arctan(R =?, 相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时,其 电流滞后于电压的角度为 φ。 为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的 工作情况,此处分 φαφαφα<=>, , 三种工况分别进行讨论(1) φα>工况

上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图, 以及在控制角 触发导通时的输出波形图,同电阻负载一样,在 i u 的正半

周 α角时, i T 触发导通,输出电压 o u 等于电源电压,电流波形 o i 从 0开始上升。

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由于是感性负载,电流 o i 滞后于电压 o u ,当电压达到过零点时电流不为 0,之后 o i 继续下降,输出电压 o u 出现负值,直到电流下降到 0时, 1T 自然关断,输出 压等于 0,正半周结束,期间电流 o i 从 0开始上升到再次下降到 0这段区间称 为导通角 0θ。由后面的分析可知,在 φα>工况下, 180<φ因此在 2t="" 脉冲到来="" 之前="" 1t="" 已关断,="" 正负电流不连续。="" 在电源的负半周="" 2t="" 导通,="" 工作原理与正半周相="" 同,在="" o="" i="" 断续期间,晶闸管两端电压波形如(b="">

为了分析负载电流 o i 的表达式及导通角 θ与 α、 φ之间的关系,假设电压坐 标原点如图所示,在 αω=t 时刻晶闸管 T 1导通,负载电流 i 0应满足方程 L 0Ri d d t

io +=i u =i U 2sin t ω 其初始条件为 i 0|αω=t =0,

解该方程,可以得出负载电流 i 0在 α≤ t ω≤ θα+区间内的表达式为

i 0=]) sin() [sin() (2tan /) (2φαωφαφωω-----+t i

e t L R U .

当 t ω=θα+时, i 0=0,代入上式得,可求出 θ与 α、 φ之间的关系为

sin (θα+-φ) =sin(α-φ) e φθtan /-

利用上式,可以把 θ与 α、 φ之间的关系用下图的一簇曲线来表示。

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图中以 φ为参变量,当 φ=00时代表电阻性负载,此时 θ=180 -α;若 φ为 某一特定角度,则当 α ≤ θ时, θ=180 , 当 α>φ时, θ随着 α的增加而减小。

上述电路在控制角为 α时, 交流输出电压有效值 U O 、 负载电流有效值 I o 、 晶闸管电流有效值 I T 分别为

U o =Ui

πθαα) 22sin(2sin +-+ I 0=2Imax o I T *

I T =2 I max o I T *

式中, I max o 为当 α=0时,负载电流的最大有效值,其值为

I max o =22) (l R U i

ω+

I T *

为晶闸管有效值的标玄值,其值为

I T *=φ

πθφαθπθcos 2) 2cos(sin 2++-

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有上式可以看出, I T *

是 α及 φ的函数下图给出了以负载阻抗角 φ为参变量 时,

晶闸管电流标幺值与控制角 α的关系曲线。

当 α、 φ已知时, 可由该曲线查出晶闸管电流标幺值, 进而求出负载电流有效值 I 0及晶闸管电流有效值 I T 。

(2) α=φ工况

当控制角 α=φ时, 负载电流 i 0的表达式中的第二项为零, 相当于滞后电源 电压 φ角的纯正弦电流, 此时导通角 θ=1800, 即当正半周晶闸管 T 1关断时, T 2恰好触发导通,负载电流 i 0连续,该工况下两个晶闸管相当于两个二极管,或输 入输出直接相连,输出电压及电流连续,无调压作用。

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α=φ工况下的输出波形

(3) φα<>

在 φα<工况下,阻抗角 φ相对较大,相当于负载的电感作用较强,使得负="" 载电流严重滞后于电压,="" 晶闸管的导通时间较长,="" 此时式仍然适用,="" 由于=""><, 公式右端小于="" 0,只有当="" 180)="" (="">-+φαθ时左端才能小于 0,因此 180>θ,如 图所示, 如果用窄脉冲触发晶闸管, 在 α=wt 时刻 1T 被触发导通, 由于其导通角 大于 180 ,在负半周 ) (πα+=wt 时

刻为 2T 发出出发脉冲时, 1T 还未关断, 2T 因受反压不能导通 , 1T 继续导通直到在

) (πα+=wt 时刻因 1T 电流过零关断时,

2T 的窄脉冲 2G u 已撤除, 2T 仍然不能导通, 直到下一周期 1T 再次被触发导通。 这样就形成只有一个晶闸管反复通断的不正常 情况, 0i 始终为单一方向,在电路中产生较大的直流分量;因此为了避免这种情 况发生,应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。

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窄脉冲触发方式

综上所述,当单相交流调压电路带感性负载时,为了可靠、有效的工作, 并实现调压的目的,应使控制角的移相范围保持在 180<αφ之间,同时为了>

2. 控制电路的设计

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲,保证晶

闸管在需要要的时刻有阻断转为导通。晶闸管触发电路应满足下列要求:1)触 发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通, 对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或 脉冲列触发; 2)触发脉冲应有足够的幅度,对户外寒冷场合,脉冲电流的幅度 应增加为器件最大触发电流的 3-5倍,脉冲前沿的陡度也许增加,一般需达 1-2A/us; 3)所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额, 且在门极伏安特性的可靠触发区域之内; 4)应有的抗干扰性能、温度稳定性及 与主电路的电气隔离。

① 触发电路的选择

采用 KC05晶闸管移相触发器, 该触发器适用于双向晶闸管或两只反向并联 晶闸管电路的交流相位控制,具有锯齿波线性好,移相范围宽,控制方式简单, 易于集中控制,有失交保护,输出电流大等优点,是交流调压电路的理想电路。 ②触发电路的工作原理

下 图 是 KC05晶 闸 管 移 相 触 发 器 内 部 电 路 原 理 图 。 V1、 V2组 成 同 步 检 测 电 路 , 当 同 步 检 测 电 压 过 零 时 V1、 V2截 止 , 从 而 使 V3、 V4、 V5导 通 , V4导 通 , 使 V11基 极 被 短 接 , V11截 止 ,

V5对 外 接 电 容 C1充 电 到 8V 左 右 。 同 步 电 压 过 零 结 束 时 , V1、 V2导 通 , V3、 V4、 V5恢 复 截 止 , C1电 容 经 V6恒 流 放 电 , 形 成 线 性 下 降 的 锯 齿 波 , 锯 齿 波 的 斜 率 由 5#端 的 外 接 锯 齿 波 斜 率 电 位 器 RP1调 节 。 锯 齿 波 送 至 V8与 6#端 引 入 V9的 移 相 控 制 电 压 Uc 进 行 比 较 放 大 , 当 Uc>UB时 , V10、 V11导 通 , V12截 止 , V13、 V14导 通 , 输 出 脉 冲 。 V4是 失 交 保 护 输 出 ,

保证 了移相 电压与 锯齿 波失交时晶闸管仍保持全导通。各点波形图如下所示。

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③集成块的电参数及引脚功能

(a) 1KC05的 电 参 数

电 源 电 压 :外 接 直 流 电 压 +15V, 允 许 波 动 ±5%(±10%功 能 正 常 ) 。 电 源 电 流 :≤ l2mA。

同 步 电 压 :≥ l0V。

同 步 输 入 端 允 许 最 大 同 步 电 流 :3mA(有 效 值 ) 。

移 相 范 围 :≥ l70°(同 步 电 压 30V , 同 步 输 入 电 阻 10k Ω) 。

移 相 输 入 端 偏 置 电 流 ≤ l0μA。

锯 齿 波 幅 度 :≥ 7~8.5V 。

输 出 脉 冲 :

a . 脉 冲 宽 度 :l00μs~2 ms(通 过 改 变 脉 宽 阻 容 元 件 达 到 ) 。

b . 脉 冲 幅 度 :>13V。

c . 最 大 输 出 能 力 :200mA(吸 收 脉 冲 电 流 ) 。

d . 输 出 反 压 :BVceo≥ l8V(测 试 条 件 :Ie=100μA

允 许 使 用 环 境 温 度 :-l0~70℃ 。

(b ) KC05的 引 脚 功 能

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相对于电机和继电器, 接触器等控制器而言, 电力电子器件承受过电流和过电压 的能力较差, 短时间的过电流和过电压就会把器件损坏。 但又不能完全根据装置 运行时可能出现的暂时过电流和过电压的数值来确定器件参数, 必须充分发挥器 件应有的过载能力。 因此, 保护就成为提高电力电子装置运行可靠性必不可少的 重要环节。

(a) 晶闸管的过电压保护

所谓过压保护, 即指流过晶闸管两端的电压值超过晶闸管在正常工作时所能承受 的最大峰值电压 Um 都称为过电压, 可采用阀侧浪涌过电压抑制 RC 电路来防止 电路过压,其电路图见图 4-1 。如果电路中出现过电压现象,因 C1两端电压不 能发生突变,从而保护了晶闸管 VT1、 VT2达到电路过电压保护的目的。 电容 C 的耐压应大于正常工作时晶闸管两端电压峰值的 1.5倍。电阻 R 一般 取 R=10~30Ω。在实际应用中可按经验数据选取表 2

晶闸管额定电流 10 20 100 200 500 1000

电容 /μF 0.1 0.15 0.25 0.5 1 2

电阻 /Ω 100 80 20 10 5 2

由主电路的分析可知流过晶闸管的电流不超过 10A , 所以我们可以选择 RC 电路 中 的 R 和 C 分 别 为 100Ω、 0.1uF 450V 。

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(b) 晶闸管的过电流保护

熔断器 FU 是最简单有效的且应用最普遍的过电流保护器件。针对晶闸管热容 量小、 过电流能力差的特点, 专门为保护大功率半导体变流元件而制造了快速熔 断器,简称快熔。其熔断时间小于 20ms ,能保证在晶闸管损坏之前快熔切断短 路故障, 达到保护晶闸管的目的 (见图 4-2) 。 目前常用的快熔有:小容量 RLS(螺 旋式 ) 系列、大容量 RTK (插入式)系列、 RS0(汇流排式)系列、 RS3系列、 RSF 系列等。

快熔断的选择:快熔的额定电压 URN 不小于线路正常工作电压的 均方根值; 快熔的额定电流 IRN 应按它所保护的元件实际流过的电流的均方根值 来选择,而不是根据元件型号上标出的额定电流 Ir(AV)来选择,一般应小于被 保护晶闸管的额定有效值 1.57 Ir(AV)。即可按下式选择: 1.57 Ir(AV)≥ IRN ≥ ITM (管子实际最大电流有效 值 )

通过上述公式我们选择熔断器为 RS3-80, 额定电压为 250V, 电流 10A 的快速熔断 器。

单相交流调压电路总电路图

如 上 图 所 示 , R7、 C3为 阻 容 滤 波 器 , R8、 C4为 晶 闸 管 的 过 电 压 保 护 , 快 速 熔 断 器 是 晶 闸 管 的 过 电 流 保 护 。

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五、 课程设计体会与总结

这次课程设计,让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并 通过对知识的综合运用,进行必要的分析、比较。 从而进一步验证了所学的理论 知识。同时,这次课程设计,还让我知道了最重要的是心态,在刚开始会觉得困 难,但是只要充满信心,就肯定会完成的。

通过课程设计,我加深了对课本专业知识的理解,平常都是理论知识的学 习, 在此次课程设计过程中, 我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理和触 发电路的设计。 通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的, 只有 把所学的理论知识与实践相结合, 从实践中得出结论, 从而提高了自己的实际动 手能力和独立思考的能力。 在设计中遇到了不少困难, 但也让我学到了一些课本 上没有的知识,进一步的提高了我的能力。

让我收获最大的是我发现了自己对以前的知识理解的不够深刻,掌握得不 够牢固,通过这次,我把以前所学的知识重新温故,巩固了所学知识,让我受益 菲浅。

六、参考文献

1. 王云亮 《电力电子技术》 北京 :电子工业出版社

2.黄俊、王兆安《电力电子交流技术》北京:机械工业出版社

3.赵良炳 《现代电力电子技术基础》北京:清华大学

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范文二：单相交流调压电路

中北大学

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 号： 学 院： 自动控制系 专 业： 电气工程及其自动化 题 目： 单相交流调压电路设计 指导教师： 李郁峰 职称: 讲师

2016年1月6号

中北大学

电力电子课程设计任务书

学期

学 院：

专 业：

学 生 姓 名：

课程设计题目：

起 迄 日 期:

课程设计地点:

指 导 教 师:

系主任： 刘洋 自动控制系 电气工程及其自动化 学 号： 1503042130 单相交流调压电路设计 12月28日 - 1月8日 计算机实验室 李郁峰 王忠庆

下达任务书日期: 2015年12月28 日

课 程 设 计 任 务 书

课 程 设 计 任 务 书

目录

1单相交流调压电路的设计2222222222222222222222222222222222222222222221 2 设计方案选择2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222221 3 设计原理22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 4设计内容原理图22222222222222222222222222222222222222222222222222222222223

4.1 主电路的设计222222222222222222222222222222222222222222222222222222223

4.2 控制电路的设计2222222222222222222222222222222222222222222222222222225

4.2.1触发信号的种类222222222222222222222222222222222222222222222222225

4.2.2 触发电路的设计222222222222222222222222222222222222222222222222225 5保护电路的设计22222222222222222222222222222222222222222222222222222222228

5.1过电压保护 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222228

5.2过电流保护22222222222222222222222222222222222222222222222222222222229 6 总电路图22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222210 7 单相交流调压电路仿真结果及结果分析222222222222222222222222222222222222211

7.1 仿真结果2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222211

7.2 结果分析2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222214 8 设计体会22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222216 参考文献2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222217

1单相交流调压电路的设计

设计目的和要求分析

设计一个单相交流调压电路，要求触发角为60度。输入交流U2=210伏。要求分析：

1. 单相交流调压主电路设计，原理说明；

2．触发电路设计，每个开关器件触发次序与相位分析；

3．保护电路设计，过电流保护，过电压保护原理分析；

4．参数设定与计算(包括触发角的选择，输出平均电压，输出平均电流，输出有功功率计算，输出波形分析，器件额定参数确定等可自己添加分析的参数)；

5. 相关仿真结果。

由以上要求可知该系统设计可分为四个部分：交流调压主电路设计、触发电路设计、保护电路设计及相关计算和波形分析部分。

2 设计方案选择

本系统主要设计思想是：采用两个晶闸管反向并联加负载为主电路，外加触发电路；触发电路控制晶闸管的导通，从而控制输出。其系统框图如下所示：

图2.1 系统整体框图

3 设计原理

本实验采用了锯齿波移相触发器。该触发器适用于双相晶闸管或两只反并联晶闸管电路的交流相位控制，具有控制方式简单的优点。

图为电阻负载单相交流调压电路图以其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角α进行控制就可以调节输出电压。正负半周α起始时刻（α=0 ）均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周的α相等。可以看出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同，因此通过触发延迟角α的变化就可以实现输出电压的控制。

上述电路在触发延迟角α时，负载电压有效值U0、负载电流有效值I0、晶闸管电流有效值IVT和电路的功率因数λ分别为

4设计内容原理图

4.1 主电路的设计

所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。由于交流调压电路的工作情况与负载的性质有很大的关系，因此下面就反电势电阻负载予以重点讨论。图1、图2分别为反电势电阻负载单相交流调压电路图及其波形。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角进行控制就可以调节输出电压 正、负半周α起始时刻α=0，均为电压过零时刻。在时，对VT1 施加触发

时，电

脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在

时，对VT2施加触发脉冲，当VT2正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在时，电源电压过零，VT2自然关断。

当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。

4.2 控制电路的设计

4.2.1触发信号的种类

晶闸管由关断到开通，必须具备两个外部条件：第一是承受足够的正向电压；第二是门极与阴极之间加一适当正向电压、电流信号(触发信号)。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。

1 .直流信号：

在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种触发方式在实际中应用极少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗；在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损坏。

2 .交流信号：

在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通。ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，改变u。值，可改变触发延迟角α。这种触发形式也存在许多缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压u。值来调节，调节的变化范围较小(00≤α≤900)。

3.脉冲信号：

在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。

4.2.2 触发电路的设计

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要要的 时刻有阻断转为导通。广义上讲，晶闸管触发电路往往还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路，但这里专指脉冲的放大和输出环节。

晶闸管触发电路应满足下列要求：

1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，对反电动势负载的变流器应采用宽脉冲或脉冲列触发；2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增加为器件最大触发电流的3-5倍，脉冲前沿的陡度也许增加，一般需达1-2A/us ；3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性的可靠触发区域之内；4）应有的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如图4所示：

集成块的电参数

电源电压：外接直流电压+15V，允许波动±5％(±10％功能正常)。

电源电流：≤l2mA。 同步电压：≥l0V。

同步输入端允许最大同步电流：3mA(有效值)。

移相范围：≥l70°(同步电压30V，同步输入电阻10kΩ)。

移相输入端偏置电流≤l0μA。

锯齿波幅度：≥7～8.5V。 输出脉冲：

a.脉冲宽度：l00μs～2 ms(通过改变脉宽阻容元件达到)。

b．脉冲幅度：>13V。

c．最大输出能力：200mA(吸收脉冲电流)。

d．输出反压：BVceo≥l8V(测试条件：Ie=100μA）

允许使用环境温度：-l0～70℃。

5保护电路的设计

在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压、过电流、du/dt保护和di/dt 保护也是必要的。

5.1过电压保护

内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程，包括： 1）换相过电压：由于晶闸管或者全控器件反并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残存的载流子恢复，当其恢复了阻断能力时，反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反并联的全控型器件两端产生过电压。 2）关断过电压：全控型器件在较高的频率下工作，当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。 过压保护要根据电路中过压产生的不同部位，加入不同的保护电路，当达到—定电压值时，自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5所示。

5.2过电流保护

当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会发生过电流。当器件击穿或短路、触发电路或控制电路发生故障、出现过载、直流侧短路、可逆传动系统产生环流或逆变失败，以及交流电源电压过高或过低、缺相等，均可引起过流。由于电力电子器件的电流过载能力相对较差，必须对变换器进行适当的过流保护。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种的过流保护措施。

如图所示，其中交流侧接快速熔断器能对晶闸管元件短路及直流侧短路起保护作用，但要求正常工作时，快速熔断器电流定额要大于晶闸管的电流定额，这样对元件的短路故障所起的保护作用较差。直流侧接快速熔断器只对负载短路起保护作用，对元件无保护作用。只有晶闸管直接串接快速熔断器才对元件的保护作用最好，因为它们流过同—个电流．因而被广泛使用。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。

6 总电路图

7 单相交流调压电路仿真结果及结果分析

7.1 仿真结果

7.2 结果分析

上面图5---图10给出了?分别为0度、 30度， 60度，90度、150度和180 度时单相交流调压电路的纯电阻负载的电压和电流的仿真波形。 当晶闸管触发控制角?=0时，U=U2 ，负载两端的电压U和流过其电流LRI的波形均为正弦波。当?>0时，U、LRI的波形为非正弦波，控制角?从0~180度范围改变时，输出电压有效值U从U2下降到0，控制角?对输出电压U的移相可控区域是0---180度。把?角等于0度、 30度， 60度，90度、150度和180度分别代入下式

观察图5-----图10的仿真波形，可得到随着?角增大，负载两端电压U的波形的曲线部分的宽度越来越窄，则其有效值将不断减小。

五、由此可知，理论分析与仿真结果是一致的。在Sim库环境下利用电力系统模块库中的电力电子器件组建单相交流调压纯电阻电路，并对电路进行相应的理论分析和仿真实验。仿真实验结果表明，通过控制?角的大小，单相交流调压电路能够得到很好的调压结果。

8 设计体会

这次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。

通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相交流调压电路的原理以及触发电路的设计。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计，我才真正发现，如果自己不亲自去做的话，是不会体会到做课程设计时，那种需要知识，渴求知识的感受。这次课程设计中让我学到了许多课堂上学不到的知识，也熟悉了课堂上学的不太懂的知识。同时也锻炼了我WORD排版，VISIO画图的能力，这对我以后的毕业设计以及以后的工作都有着很大的帮助，在完成设计的课程的过程中，通过在网络上、书籍上，查找相关的资料，在这些汲取知识的过程中，让我体会到了学习的快乐，大脑中的知识更加充实，从书本上学到的知识得到了极大的完善。

第 16 页 共 17页

参考文献

[1］李维波，MATLAB在电气工程中的应用，中国电力出版社，2007 ［2］王兆安，刘进军，电力电子技术，机械工业出版社，2009.5

［3］李传奇，电力电子技术计算机仿真实验（M），机械工业出版社2006 第 17 页 共 17页

范文三：单相交流调压电路

姓名：

电力电子课程设计

——单相交流调压电路

学院：工程学院 班级：12电气2班

2015年6月

摘要

本次课程设计，先明确了实验的要求和设计目的设计一个单相交流调压电路。然后根据要求进行电路设计，包括主电路、触发电路。排版等等。设计并发现、解决相应的问题。之后对电路进行了实验仿真，通过仿真实验，再发现其中的问题和不足，进行更改和完善。然后确定实验所需的元器件。确定之后，进行器件的购买，之后进行电路板实物的焊接。焊接后要进行调试。发现和排除错误，调试时，发现了问题，然后经过实验仪器的排错，线路元器件的排错，发现了两处问题，更改之后就正常了。接着是对波形的观察和数据的记录。完成这些后，对数据进行处理，整理结论。最后是我们的心得体会和收获。以及完成报告总结。

关键词主电路触发电路波形负载电压调压

目录

一、设计任务及目的……………………………………………………………4 （一）设计要求任务…………………………………………………………4 （二）设计目的………………………………………………………………4 二、实验器件、设备及所用软件………………………………………………4 （一）实验材料的选择………………………………………………………5 （二）实验所需设备………………………………………………………5 （三）所用软件………………………………………………………………5 三、电路设计方案的设计和选择………………………………………………5 （一）方案的确立……………………………………………………………5 （二）实验电路的设计………………………………………………………6 1、触发电路的设计………………………………………………………6 1.1触发信号的种类………………………………………………………6 1.2触发电路的设计……………………………………………………6 2、主电路的设计…………………………………………………………9 四、完整电路图及实物图……………………………………………………11 五、实验波形及数据…………………………………………………………12 （一）α=30°时………………………………………………………………12 （二）α=60°时………………………………………………………………13 （三）α=90°时………………………………………………………………15 （四）α=120时……………………………………………………………17 六、实验数据处理……………………………………………………………19

七、结论总结………………………………………………………………20 八、心得体会………………………………………………………………21 参考文献………………………………………………………………………22

单相交流调压电路

前言

电力电子线路的基本形式之一，即交流—交流变换电路，它是将一种形式的交流电能变换成另一种形式交流电能电路。在进行交流—交流变换时，可以改变交流电的电压、电流、频率或相位等。用晶闸管组成的交流电压控制电路，可以方便的调节输出电压有效值。可用于电炉温控、灯光调节、异步电动机的启动和调速等，也可用作调节整流变压器一次侧电压，其二次侧为低压大电流或高压小电流负载常用这种方法。采用这种方法，可使变压器二次侧的整流装置避免采用晶闸管，只需要二极管，而且可控级仅在一侧，从而简化结构，降低成本。交流调压器与常规的交流调压变压器相比，它的体积和重量都要小得多。交流调压器的输出仍是交流电压，它不是正弦波，其谐波分量较大，功率因数也较低。

一、 设计任务及目的 （一）设计要求任务

1. 设计一个单相交流调压电路。输入电压为36V交流，输出交流电压可变，带纯电阻性负载。

2. 提出电路设计方案，比较不同的方案并选定方案。 3. 完成电路的设计和主要元器件的选择及说明。 4. 进行实验仿真及电路板的焊接和测试性能。 5. 分析实验数据，得出结论。

（二）设计目的

使学生熟悉各种电力电子器件的特性和使用方法；掌握各种电力电子变流电路的结构、工作原理、控制方法、设计计算方法及实验技能；熟悉各种电力电子变流装置的

应用范围及技术经济指标。训练学生综合运用学过的变流电路原理的基础知识，通过资料查找、方案选择、电路设计，进一步加深对变流电路基本理论的理解，提高动手动脑的基本应用技能。

二、 实验器件、设备及所用软件 （一）实验材料的选择

根据我们的设计需要，确定如下的器材：

表1 实验所需元件表

（二）实验所需设备

电烙铁焊锡导线万用表脉冲示波器 36V交流电源

（三）所用软件

Multisim12.0

三、电路设计方案的设计和选择 （一）方案的确立

题目要求为：输入电压为36V交流，输出交流电压可变，带纯电阻性负载。所以根据上课所学知识和查阅相关资料，我们初步选定了方案：如图，将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。

图1电阻负载单相交流调压电路

（二）实验电路的设计 1、触发电路的设计 1.1触发信号的种类

晶闸管有关断到开通,必须具备两个外部条件:第一是承受足够的正向电压;第二是门极与阴极之间加一适当的正向电压、电流信号。门极触发信号有直流信号、交流信号和脉冲信号三种基本形式。

(1) 直流信号在晶闸管加适当的阳极正向电压的情况下，在晶闸管门极与阴极间加适当的直流电压，则晶闸管将被触发导通。这种方式实际应用中最少。因为晶闸管在其导通后就不需要门极信号继续存在。若采用直流触发信号将使晶闸管门极损耗增加，有可能超过门极功耗：在晶闸管反向电压时，门极直流电压将使反向漏电流增加，也有可能造成晶闸管的损耗。

(2)交流信号在晶闸管门极与阴极间加入交流电压，当交流电压uc=ut时，晶闸管导通，ut是保证晶闸管可靠触发所需的最小门极电压值，可改变触发延迟角。这种触发形式也存在许多的缺点，如：在温度变化和交流电压幅值波动时，触发延迟角不稳定，可通过交流电压uo值来调节，调节的变化范围较小。

(3)脉冲信号

在晶闸管门极触发电路中使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时

刻，降低晶闸管门极功耗，还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号的隔离输出。因此，触发信号多采用脉冲形式。

1.2触发电路的设计

方案一

采用KC05移相触发器进行触发电路的设计。KCO5可控硅移相触发器适用于双向可控硅或两只反向并联可控硅的交流相位控制。KC05触发芯片具有锯齿波形好，移相范围宽，控制方式简单，易于集中控制，有失交保护，输出电流大等优点，是交流调光，调压的理想电路。KC05电路也适用于作半控或全控桥式线路的相位控制。同步电压由KC05的15、16脚输入，在TP1点可以观测到锯齿波，RP1电位器调节锯齿波的斜率，Rp2电位器调节移相角度，触发脉冲从第9脚，经脉冲变压器输出。调节电位器RP1，观察锯齿波斜率是否变化，调节RP2，可以观察输出脉冲的移相范围如何变化单相交流调压触发电路原理图如下图。

图2 单相交流调压触发电路原理图

方案二

采用KJ004可控硅移相触发电路。该电路适用于单相、

三相全控桥式供电装置中，

作可控硅的双路脉冲移相触发。KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大，移相性好，正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。下面是KJ004的应用实例。该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。 电路原理见下图：锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值。以下是KJ004的典型接线图。

图3 KJ004构成的触发电路

方案三

采用普通三极管触发的单相晶闸管电路，两个三极管组成互补型放大器以构成晶闸管VT1的触发电路。36V电源先通过整流桥整流输出全波脉动电压，此电压经R1，R6，R8向电容C充电，使Q2发射极电压不断升高，当高于其基极电压时，Q1,Q2即导通，晶闸管门极获得触发脉冲，D9导通。此时，电容C通过Q1,Q2及R4放电，正电源又重新通过R1,R6,R8向其充电。所以，通过调节电位器的阻值可以改变Q2发射极输出脉冲时间向后移动或者向前移，即改变晶闸管的导通角，即实现触发。

具体触

发电路如下图。

图4三极管互补触发电路

以上是我们的三种触发电路图，我们本来的选择是以方案一为主。方案一的应用比较广泛，在实验室里用的就是方案一的电路。但是即使是用了集成的芯片KC05，这个电路图也并不简单，还要用到直流电源，较麻烦。最重要的是，我们在实际的元器件购买中，找了很多家店都没有卖KC05和KJ004的，考虑到时间的问题以及经费。我们放弃了方案一。而方案三的触发电路经过我们的仿真实验调试，能够很好的达到要求。而且电路图又不麻烦，又是我们自己设计的，原理掌握也很熟悉。于是，最终我们的触发电路选择了方案三。

2、主电路的设计

所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周波内通 过控制晶闸管开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。交流调压电路广泛用于灯光控制及异步电动机的软启动，也用于异步电动机调速。此外，在高电压小电流或低电压流之流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。本次课程设计主要是研究单相交流调压电路的设计。下图就电阻负载单相交流调压电路进行分析。图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U2的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的移相控制角 进行控制就可以调节输出电压。

正、负半周起始时刻（?=0），均为电压过零时刻。在wt=a?时，对VT1施加触发脉冲，当VT1正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在wt=π时，电 源电压过零，因电阻性负载，电流也为零，VT1自然关断。在wt=π+a?时，对VT2施加触发脉冲，当VT2

正向偏置而导通时，负载电压波形与电源电压波形相同；在

wt=2π时，电源电压过零，VT2自然关断。当电源电压反向过零时，由于反电动势负载阻止电流变化，故电流不能立即为零，此时晶闸管导通角的大小，不但与控制角?有关，而且与负载阻抗角有关。两只晶闸管门极的起始控制点分别定在电源电压每个半周的起始点。稳态时，正负半周的相等，负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（电源电流）和负载电压的波形相似。

图5 主电路

图6 单相交流电压电路波形

四、 完整电路图及实物图

图7完整仿真电路

图8实物电路板

五、 实验波形及数据 （一）α=30°时

图9实际30°时触发和整流波形及负载电压

图10 仿真30

°触发和整流波形及负载电压

图11 实际30°时负载电压波形

图12 仿真30°时负载电压波形

（二）α=60°时

图13实际大约60°时触发和整流波形及负载电压

图14 仿真60°时触发和整流波形及负载电压

图15实际约60°时负载电压波形

图16 仿真60°时负载电压波形

（三）α=90°时

图17 实际大约90°时触发和整流波形及负载电压

图18 仿真90°时触发和整流波形及负载电压

图19实际约90°时负载电压波形

图20 仿真90°时负载电压波形

（四）α=120°时

图21实际大约120°时触发和整流波形及负载电压

图22 仿真120°时触发和整流波形及负载电压

图23 实际约120°时负载电压波形

图24仿真120°时负载电压波形

六、 实验数据处理 （一）负载电压有效值

U?

??

?2Usin?t?d??t??U

?

2

2

22

2?sin2???

故移相范围为0≤α≤π。α=0时，输出电压为最大， U0=U2。随着α的增大，U0降低，当α=π时，U0=0。

U0?U2

U30=U2

2?

sin0?

?6

?

?U2?U2

34?

sin(2?)?

2?

??6

?U2

?5?0.99U2 6

34?

U60?U2

U90?U2

sin(2?3)?

2

???

?U2

?

?U23?0.90

1

2

12?

sin(2?)?

??2

???U20??0.71U2

U150?U22sin(2?

)?

12?U20?U22?0.671

U180?U22?

sin(2??)???U20?0?0

在我们的实验中U2的值为36V，所以取几个特殊值计算的结果如下

表2负载电压的计算值、实际值

由上表，我们用万用表测出实际值和计算值是有一定的误差的，这是因为在实际中示波器的观察角度无法确定的很准确，所以会有一定的误差。而且空气中有一些谐波对我们观察也会有一些的影响。不过总体上实验结果还是正确可信的。所以通过控制α角的大小，单相交流调压电路能够得到很好的调压结果。

（二）负载电流有效值

Io?

Uo

R

晶闸管电流有效值：

IT?

12?

?2U1sin?t?U1????d?t?????RR??

?

2

1?sin2?

(1??)2?2?

（三）功率因数

PU0I0U0?????SU1I0U1七、 结论总结

α=0时, 功率因数λ=1, α增大,输入电流滞后于电压且畸变,λ降低。

通过设计可以总结出，ɑ的移相范围为0≤ɑ≤π。ɑ=0时，相当于晶闸管一直导

通，输出电压为最大值，U。=U1。随着ɑ的增大，U。逐渐减小。知道ɑ=π时，U。=0。此外，ɑ=0时，功率因数=1，随着ɑ的增大，输入电流滞后于电压且发生畸变，也逐渐降低。完成了题目单相交流调压电路，输入电压为36V交流，输出交流电压可变，带纯电阻性负载的电路设计，很好地实现了相应的功能。

八、 心得体会

在这次的课程设计中，我们历经一个多星期，最终完成了全部内容。其中的每一步都令我们记忆深刻。一次课程设计让我们学到了很多知识，包括对课本内容加深的理解和其他知识的扩充。每个人都有了自己的体会和看法。

：在这次课程设计中，我负责电路的设计及调试工作，最难的在触发电路的设计上以及各电力电子器件型号选择，所以认真了解各型号晶闸管相应参数及性能是这次课程设计的关键。根据选择的管子和主电路设计触发电路，比如在单相交流调压设计中，两个管子分别在正负半周期触发并且相差180度，需要两组触发电路。但是根据晶闸管的导通特性，用整流桥整流后让触发电路在正负半周期都产生脉冲，将一组脉冲同时输给两个管子也可以达到两组触发电路的效果，这样就简化了电路。同时在调试过程中，除了对设计电路的熟悉和各个关键点波形的了解外，还需要有一定的技巧和检测电路的思维，就是逆向检测，从后面的电路往电源侧逐个检测，从而找出原因所在也为调试带来很大的方便。

：开始的时候觉得这次课程设计是比较简单的，几个题目的主电路都是很简单的。实际实现过程中遇到了一些问题。才意识到这次课程设计没有想象中那么简单。其实问题主要在于触发电路。开始时触发电路选用KC05集成芯片作为触发发生器。后来仿真过程中，发现元件库中没有KC05没办法仿真。买器件时也买不到。所以只能才重新开始设计方案。后来都比较顺利。总体来说，这次课程还是比较有意义的。一方面将课堂上的东西进行了实践，另一方面复习了仿真软件的使用等的知识。

：在这次课程设计中，我负责电路板焊制和调试，虽然没参与电路设计，但是在焊制时和设计的同学的交流，也让我对单相交流调压电路及其触发电路有了更深刻的理解。通过这次课程设计，我锻炼了自己焊制电路板的能力。吸取了大二时数电课程设计的教训，本次焊制电路板仅有两处跳线，并且跳线使用金属跨线而不是用软导线，使后期排查故障时查线十分方便快捷。

：一次课程设计，学到的不仅是知识，还有动手能力。虽然我并没有参与电路焊

接的部分，但是也是知道其中的困难的。从设计电路到仿真软件的选择再到器件的选定，每一步，都是要我们自己摸索着来。历经几天之后终到调试，却因为示波器最基本的排查错误没做好白白浪费一上午，然后，电路板中的一个变压器也坏了，影响了我们的实验。最终经过队员的努力，终于排查掉所有问题，成功实现设计目标！然后就是写这份实验总结，涉及到原理计算等等再次加深了对知识的理解。总之，感谢这次课设，令我们受益匪浅。

参考文献

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术第五版 北京：机械工业出版社，2011年

[2]电力电子实验指导书华南农业大学工程学院，2015年

[3] 康华光.电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006年

范文四：单相交流调压电路

单相交流调压电路

一、工作原理

单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如下图所示。之所产生的滞后由于阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角α，负载阻抗角φ都有关系。当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角ɑ、负载阻抗角?都有关系。其中负载阻抗角

)??arctan(

,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压

时，其电流滞后于电压的角度为?。为了更好的分析单相交流调压电路在感性负载下的工作情况，此处分???,???,???三种工况分别进行讨论。

（1）???情况

图1 电路图（截图）

图2 工作波形图???（截图）

上图所示为单相反并联交流调压电路带感性负载时的电路图，以及在控制角触发导通时的输出波形图，同电阻负载一样，在ui的正半周?角时，Ti触发导通，输出电压uo等于电源电压，电流波形io从0开始上升。由于是感性负载，电流io滞后于电压uo，当电压达到过零点时电流不为0，之后io继续下降，输出电压uo出现负值，直到电流下降到0时，T1自然关断，输出电压等于0，正半周结束，期间电流io从0开始上升到再次下降到0这段区间称为导通角?0。由后面的分析可知，在???工况下，??180?因此在T2脉冲到来之前T1已关断，正负电流不连续。在电源的负半周T2导通，工作原理与正半周相同，在io断续期间，晶闸管两端电压波形如图2所示。

为了分析负载电流io的表达式及导通角?与?、?之间的关系，假设电压坐标原点如图所示，在?t??时刻晶闸管T1导通，负载电流i0应满足方程

L

dio

?Ri0=ui=2Uisin?t dt

其初始条件为： i0|?t??=0,

解该方程，可以得出负载电流i0在?≤?t≤???区间内的表达式为 i0=

2UiR2?(?L)

[sin(?t??)?sin(???)e?(?t??)/tan?].

当?t=???时，i0=0，代入上式得，可求出?与?、?之间的关系为 sin（???-?）=sin（?-?）e??/tan?

利用上式，可以把?与?、?之间的关系用下图的一簇曲线来表示。

图3 ?与?、?之间的关系曲线（截图）

图中以?为参变量，当?=00时代表电阻性负载，此时?=180?-?；若?为某一特定角度，则当???时，?=180 ?，当?>?时，?随着?的增加而减小。

上述电路在控制角为?时，交流输出电压有效值UO、负载电流有效值 Uo=Ui

??sin2??sin(2??2?)

?

I0=2Iomax

I

*T

IT=2 Iomax

I

*T

式中，Iomax为当?=0时，负载电流的最大有效值，其值为

Ui

I

omax*T

22R?(?l)=

I

为晶闸管有效值的标玄值，其值为

?sin?cos(2?????)?

2?cos?IT=2?

*

由上式可以看出，IT是?及?的函数下图给出了以负载阻抗角?为参变量时，晶闸管电流标幺值与控制角?的关系曲线。

*

图4 晶闸管电流标幺值与控制角?

的关系曲线（截图）

当?、?已知时，可由该曲线查出晶闸管电流标幺值，进而求出负载电流有效值I及晶闸管电流有效值I。

T

（2）?=?情况

当控制角?=?时，负载电流i0的表达式中的第二项为零，相当于滞后电源电压?角的纯正弦电流，此时导通角?=180，即当正半周晶闸管T1关断时，T2

恰好触发导通，负载电流i0连续，该工况下两个晶闸管相当于两个二极管，或输入输出直接相连，输出电压及电流连续，无调压作用。

图5

?=?情况下的输出波形

(3) ???情况

在???工况下，阻抗角?相对较大，相当于负载的电感作用较强，使得负载电流严重滞后于电压，晶闸管的导通时间较长，此时式仍然适用，由于???，

??(?????)?180??180公式右端小于0，只有当时左端才能小于0，因此，如

图所示，如果用窄脉冲触发晶闸管，在wt??时刻T1被触发导通，由于其导通角

?

大于180，在负半周wt?(???)时刻为T2发出出发脉冲时，T1还未关断，T2因

受反压不能导通,T1继续导通直到在wt?(???)时刻因T1电流过零关断时，T2的窄脉冲

uG2已撤除，T2仍然不能导通，直到下一周期T1再次被触发导通。这样就

i形成只有一个晶闸管反复通断的不正常情况，0始终为单一方向，在电路中产生较大的直流分量；因此为了避免这种情况发生，应采用宽脉冲或脉冲列触发方式。

图6 窄脉冲触发方式（截图）

二、建模仿真

1．建立一个仿真模型的新文件。在 MATLAB 的菜单栏上点击 File，选择 New，再在弹出菜单中选择 Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。

2.在simulink菜单下面找到simpowersystems从中找出所需的晶闸管，交流电源，电压表，电流表，示波器，阻感负载等。

3.将找到的模型正确的连接起来，如7所示

图7电路仿真图

三、参数设置

⑴ 触发脉冲参数设置如下表所示:

其中将周期（period）设置为0.02，触发脉冲宽度（pulse width）设置为5，相位滞后（phase delay）也就是触发角可设为0-0.01之间的任意数，他们之间的对应关系如下

⑵负载参数设置

如果负载为电阻性负载，则将电感（inductance）

设为0，电容（capacitance）设为inf,本次仿真中的负载为阻感性，其参数设置如8所示

图8 负载参数设置（截图）

⑶电源参数设置

电源电压设为220V，频率设为50Hz，相位角设为0，如需改变可另行设置采样时间设为0。

图9 电源参数设置（截图）

⑷仿真器设置

为便于观察波形，将仿真时间设为0.06（三个周期），仿真算法（solver）设为ode23t，其他参数设为默认，设置好后的参数如10所示：

图10 仿真器设置

四、仿真图形

参数设置好后，点击（start simulink）开始仿真，为便于比较，先将负载设为电阻性负载，改变触发角，观察波形变化，不同触发角时的波形如下

4.1 电阻性负载仿真波形

R=10,触发角为0°

图11 触发角为0°波形 （截图）

图12 触发角为30°（截图）

R=10,触发角为45°

图13 触发角为45°（截图）

图14 触发角为90°（截图）

R=10,触发角为120°

图15 触发角为120°（截图）

R=10,触发角为150°。

图16 触发角为150°（截图）

4.1.1 波形分析

以上各图分别为触发角α为0°,30°,45°,90°,120°，150°时所得的仿真波波形，，图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个波形为负载电流的波形，第三个波形为负载电压的波形。当负载为电阻性负载时，负载电压和负载电流波形一致，随着触发角的增大，波形的占空比减小，电流和电压出现断续。当触发角为0°时，波形为完整的正弦波；当触发角为度时180°时，波形为一条直线，由此可以说明单相交流调压电路带电阻性负载时的触发角α的取值范围为0°~180°。

4.2 阻感性负载（H=0.01）

将负载设为阻感性，电感值设为0.01H,改变触发角，观察仿真波形。

R=10，h=0.01,触发角为30°

图17 触发角为30°（截图）

R=10,h=0.01,触发角为45°。

图18 触发角为45°（截图）

R=10,h=0.01,触发角为90°

图19 触发角为90°（截图）

R=10,h=0.01,触发角为120°

图20 触发角为120°（截图）

R=10,h=0.01,触发角为150°。

图21 触发角为150°（截图）

R=10,h=0.01,触发角为180°。

图22 触发角为180°（截图）

4.2.2波形分析

以上各图分别为触发角α为0°,30°,45°,90°,120°，150°，180°时所得的仿真波波形，，图中第一个波形为触发脉冲的波形，第二个波形为负载电流的波形，第三个波形为负载电压的波形。单相交流调压电路带组感性负载时，随着触发角的增大，负载两端电流和电压波形的占空比逐渐减小。由于电感的影响电流波形和电压波形不再保持一致，这是因为电感的储能作用。当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通，电压发生跳变，由于电感的作用，电流只能从零开始变化，同时电感开始储能。当电源电压变为负时正向晶闸管并不能关断，直到电感中的储能释放完，这就是负载两端电压和电流波形不一致的原因。由此可以看出电感是一种储能元件，其两端的电流不能突变但电压可以。当触发角为0°时，波形为完整的正弦波；当触发角为度时180°时，波形为一条直线，由此可以说明单相交流调压电路带电阻性负载时的触发角α的取值范围为φ~180°。

范文五：单相交流调压电路

目录

1、课程实训的目的与作用...................................................................... 2

2、设计任务、及所用Matlab软件环境介绍 .................................................. 2

2.1设计任务：.单相交流调压电路（阻-感性负载） ........................... 2

2.2 MATLAB软件环境介绍 .................................................. 2

3、电路模型的建立 ............................................................................. 3

3.1 单相交流调压电路电路结构 ............................................ 3

3.2 单相交流调压电路工作原理（阻-感性负载） ............................. 4

4、单相交流调压电路仿真模型（阻-感性负载） ............................................ 4

4.1仿真模型 ............................................................. 4

4.2参数设置 ............................................................. 5

4.3仿真波形 ............................................................. 6

5、仿真结果分析 ................................................................................ 8

5.1 波形分析 ............................................................ 8

5.2结果分析 ............................................................. 8

6、设计总结和体会 ............................................................................. 9

7、参考文献 ..................................................................................... 9

1、课程实训的目的与作用

使学生能够对“电力电子技术”教材中的主要电子电路进行建模与仿真，基本掌握电路的原理及参数设定和调整方法，提高学生分析问题和解决问题的能力；通过参观实习增加学生的感性认识，了解现场主要设备的用途和电气线路的作用、原理和电气性能。在实习的过程中能够理论联系实际，在实践中充分利用所学的理论知识分析和研究实际生产过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所学知识面，为以后走向工作岗位打下一定的基础。

2、设计任务、及所用Matlab软件环境介绍

2.1设计任务：单相交流调压电路（阻-感性负载）

2.2 MATLAB软件环境介绍

作为和Mathematica、Maple并列的三大数学软件。其强项就是其强大的矩阵计算以及仿真能力。要知道Matlab的由来就是Matrix + Laboratory = Matlab，所以这个软件在国内也被称作《矩阵实验室》。每次MathWorks发布Matlab的同时也会发布仿真工具Simulink。在欧美很多大公司在将产品投入实际使用之前都会进行仿真试验，他们所主要使用的仿真软件就是Simulink。Matlab提供了自己的编译器：全面兼容C++以及Fortran两大语言。所以Matlab是工程师，科研工作者手上最好的语言，最好的工具和环境。Matlab 已经成为广大科研人员的最值得信赖的助手和朋友！

目前 MATLAB 产品族可以用来进行：

－ 数值分析

－ 数值和符号计算

－ 工程与科学绘图

－ 控制系统的设计与方针

－ 数字图像处理

－ 数字信号处理

－ 通讯系统设计与仿真

－ 财务与金融工程...

Simulink 是基于 MATLAB 的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车等等，其中了包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。 Simulink 提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且 Simulink 还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用 Simulink 几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作

3、电路模型的建立

3.1 单相交流调压电路电路结构

单相交流调压电路，它用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与负载电阻R电感L串联组成主电路。单相交流调压电路（阻-感性负载）电路图如图1所示。

图1.单相交流调压电路（阻-感性负载）电路图

3.2 单相交流调压电路工作原理（阻-感性负载）

当电源电压U2在正半周时，晶闸管VT1承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT1没有导通，在α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT1导通，晶闸管VT2在电源电压是正半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能马上为零，随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储存的能量释放完毕，电流到零，晶闸管VT1关断。

当电源电压U2在负半周时，晶闸管VT2承受正向电压，但是没有触发脉冲晶闸管VT2没有导通，在π+α时刻来了一个触发脉冲，晶闸管VT2导通，晶闸管VT1在电源电压是负半周时承受反向电压截止，当电源电压反向过零时，由于负载电感产生感应电动势阻止电流变化，故电流不能马上为零，随着电源电流下降过零进入负半周，电路中的电感储存的能量释放完毕，电流到零，晶闸管VT2关断。

4、单相交流调压电路仿真模型（阻-感性负载）

4.1仿真模型

单相交流调压电路（阻-感性负载）仿真电路图如图2所示：

图2.单相交流调压电路（阻-感性负载）仿真电路图

4.2参数设置

电源参数，频率50hz，电压100v，如图

3

图3.单相交流调压电路（阻-感性负载）电源参数

VT1脉冲参数设置，振幅3V，周期0.02，占空比10%，时相延迟α/360*0.02，如图

4

图4.单相交流调压电路（阻-感性负载）脉冲参数设置

VT2脉冲参数设置，振幅3V，周期0.02，占空比10%，时相延迟（α+π）/360*0.02，如图5

图5.单相交流调压电路（阻-感性负载）脉冲参数设置

4.3仿真波形

设置触发脉冲α分别为30°、60°、90°、120°。与其产生的相应波形分别如图6、图7、图8、图9。在波形图中第一列波为流过VT1的电流波形，第二列波为流过VT1的电压波形，第三列波为流过过负载电流波形波形，第四列波为流过过负载电压波形波形。

当延迟角α=30°时，波形图如图6所示：

图6.α=30°单相交流调压电路（阻-感性负载）波形图

当延迟角α=60°时，波形图如图7所示：

图7.α=60°单相交流调压电路（阻-感性负载）波形图

当延迟角α=90°时，波形图如图8所示：

图8.α=90°单相交流调压电路（阻-感性负载）波形图

当延迟角α=120°时，波形图如图9所示：

图9.α=120°单相交流调压电路（阻-感性负载）波形图

5、仿真结果分析

5.1 波形分析

在波形图中第一列波为触发脉冲波形，第二列波为晶闸管两端电压波形，第三列波为负载电流波形，第四列波为负载电压波形。?=?时电流是连续的，?>?时电流都不连续，在?<><>

随着触发角的增大，负载两端电流和电压波形的占空比逐渐减小。电流和电压有效值减小，由于电感的影响电流波形滞后于电压波形，这是因为电感的储能作用。当触发脉冲到来时，正向晶闸管导通，电压发生跳变，由于电感的作用，电流只能从零开始变化，同时电感开始储能。当电源电压变为负时正向晶闸管并不能关断，直到电感中的储能释放完，这就是负载两端电压和电流波形不一致的原因。并且可以知道触发角的取值为0°~180°。

5.2结果分析

在触发角为零的时候，在窄脉冲的触发下，晶闸管两端电压在正半周时基本为零，电流电压不连续，基本上没有负值，说明在?<>

6、设计总结和体会

单相交流调压电路用两只反并联的普通晶闸管或一只双向晶闸管与负载电阻R电感L串联组成主电路，因为比电阻性负载多了一个电感，在感应电动势的作用下，输出的电压都延迟了一段。

通过这次课程设计明白了许多，

也学到了许多宝贵的经验与教训，

在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种设计要求？如何把所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？想做类似的大作业就提供了良好的实践平台。在做本次课程设计的过程中，感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。为了让自己的设计更加完善，更加符合工程标准，一次次翻阅单片机课本和课件是十分必要的，同时也是必不可少的。

7、参考文献

[1] 王维平，现代电力电子技术及应用，东南大学出版社，1999.

[2]龙志文，电力电子技术，机械工业出版社，2013.

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